탈착 기반 생분해 모델링과 실험값의 불일치

흡착 Phenanthrene의 생분해는 탈착과 비슷한 기간인 약 80일 동안 진행이 되었다. 그림 4-6는 Un-BC, 250BC, 그리고 Un-BC(sub)에서의 흡착 Phenanthrene 생분해 Kineitcs를 나타낸다. 그래프 안의 곡선들은 탈착을 기반으로 한 생분해 모델 그래프이며, 이와 실험값들의 차이가 큼을 알 수 있다. 탈착의 경우 모델이 실험값과 유사하여 모델 값 _을 구하여 비교하였지만, 생분해 모델은 그렇지 않아 생분해도(_)는 실험 값인 각 생분해 실험 종료시점에서의 이론적 Phenanthrene 분해에 의한 이산화탄소 발생량 대비 누적 실제 Phenanthrene 분해에 의한 이산화탄 소 발생량으로 정의하였다. 각 경우에 생분해도 결과는 표 4-4에 나타나 있다.

모든 Kinetics에서 초기 약 5-10일정도 Phenanthrene이 분해되지 않은 Lag phase가 관찰이 되었다. 반면, 그림 3-16와 같이 수중에 존재하는 Phenanthrene을 분해할 때는 이러한 Lag phase가 발견되지 않았다. 이 는 초기 바이오차에서 Phenanthrene이 탈착되더라도 대부분이 공극 (Pore or void) 내에 잔류해있기 때문에 미생물이 잘 접근하지 못하는 것으로 추측 할 수 있다. 표 4-1에서 두 바이오차의 평균공극 크기는

<1 m이지만 P. putida는 크기가 대략 1 m으로 바이오차 대부분의 공극내부로는 들어가지 못할 것이다. 그 외에도, 탈착을 통한 제한된 Phenanthrene 노출은 미생물의 초기 분해효소를 생산시간을 지체 시킬 수 있다.

Feedstock

Particle type Rice husk

(discrepancy with model data) Sewage sludge (discrepancy with model data)

_

Un-BC 0.191

(±0.139) (-29.8%) 0.077

(±0.050) (-74.8%)

250BC 0.348

(±0.074) (+37.5%) 0.325

(±0.047) (-22.2%) Un-BC(sub) 0.889

(±0.092) (+105.8%) 0.638

(±0.071) (+37.2%)

표 4-4. 80일간 바이오차 흡착 Phenanthrene의 생분해도 _와 탈착기반 모델링 값과의 차이

표 4-4에 의하면 Rice husk 바이오차의 Un-BC와 Sewage sludge 바 이오차의 Un-BC와 250BC의 경우, 두 바이오차에서 실험값이 모델 예측 값보다 낮게 측정됨을 알 수 있다. Phenanthrene이 탈착이 되더라도 미 생물의 분해활동이 저해되어 이를 온전히 분해하지 못했다고 볼 수 있 다. 이의 원인을 살펴보기 위해 Microtox를 이용한 바이오차의 독성을 평가하였다. A. fisheri의 발광의 저해를 바이오차의 농도에 따라 관찰한 결과는 그림 4-7에 나타나 있다. 생분해 실험에서의 S/L 비는 0.034로 (1 g 바이오차와 30 mL의 BH 배지) 바이오차의 독성영향은 Rice husk 와 Sewage sludge 바이오차 순으로 10.7과 69.0%로 나타났다. 두 바이 오차 모두 어느 정도 독성을 나타냈으며, Sewage sludge 바이오차에서 더 많은 독성을 나타내었다. 이는 탈착 기반 생분해 모델값과 실제 실험 생분해도와의 차이와 비슷한 결과를 나타낸다. Rice husk 바이오차는 모 델 값과 비교했을 때 Un-BC에서 29.8%의 감소폭을 보인 반면 Sewage sludge 바이오차는 Un-BC에서 더 큰 74.8% 감소폭을 보였다(표 4-4).

이는 Microtox의 독성영향과 유사한 것을 확인 하였다. 또한, 두 바이오 차 모두 입자크기가 작을수록 독성영향은 있지만 저해도가 줄어드는 것 을 알 수 있다. Rice husk 바이오차는 250BC에서 모델값 보다 37.5%만 큼 실험값이 많이 생분해 되었다고 측정 되었고, Sewage sludge 바이오 차는 250BC에서 22.2% 저해되어서 저해정도가 많이 준 것을 확인하였 다. 이를 통해 바이오차에 의한 미생물 독성영향으로 인해 생분해가 저 해되고, 입자크기가 작을수록 이러한 저해영향이 적다는 것을 확인 하였 다.

S/L ratio

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Toxic effect (% / 100)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Rice husk biochar Sewage sludge biochar

그림 4-7. 바이오차에 의한 A. fisheri의 발광 저해

바이오차에 의한 미생물 독성영향의 원인을 알아보기 위해 바이오차의 중금속 함량을 분석하였다. 표 4-5는 여러 중금속함량을 분석한 결과이 다. Microtox와 유사하게 Sewage sludge 바이오차가 Rice husk 바이오 차 보다 여러 중금속에서 상당한 비율로 많은 함량을 가지고 있는 것이 확인 되었다. 구리Cu와 아연Zn 같은 경우에는 Sewage sludge 바이오차 의 함량이 676.90와 2616.58 mg kg^{ }로 Rice husk 바이오차 보다 각각 63.59와 33.81배가 많은 함량을 가지고 있다. 이러한 결과는 기존의 문헌 에서 밝혀진 바와 같이 하수처리에 쓰인 농축 Sewage sludge는 상당한 양의 중금속을 함유하고 있다고 알려져 있다(Pritchard et al., 2010). 이 러한 Sewage sludge를 전구물질로 만든 바이오차는 중금속 함량이 많을 가능성이 크다. Liu et al. (2014)에 따르면 이러한 바이오차 내 중금속은 식물에게 노출되지 않아 독성을 나타나지 않다고 알려져 있다. 하지만,

mg Cd L^{ }일 때 성장저해가 일어난다고 알려져 있다. 따라서 Sewage sludge 바이오차에서 Cu는 676.90 mg kg^{ }의 높은 함량을 가지고 있지 때문에 충분히 우려수준의 농도가 수중으로 배출될 가능성이 있다. 추가 로, 3 mg Cd kg^{ }으로 오염된 토양에서 미생물의 활동이 상당히 저해 된다고 알려져 있다(Vig et al., 2003). 반면에, Rice husk 바이오차는 우 려수준의 함량을 가지고 있는 중금속은 있지 않다. 하지만 Rice husk 바 이오차에서도 미생물 독성영향이 있음을 알 수 있다. 중금속 이외에 확 인되지 않은 물질이 유출됨으로써 미생물 활동을 저해시키고 생분해를 저감시키는 효과를 나타냈을 것이다. 최근에는 바이오차 내에 존재하는 휘발성 유기물질이 미생물에 독성영향을 가지고 있다고 알려져 있다 (Buss et al., 2015).

Un-BC와 250BC의 경우와 달리 계면활성제를 적용 시(Un-BC(sub)) 이러한 미생물 활동저해는 일어나지 않았으며 탈착에 기반한 생분해 모 델값보다도 더 많은 생분해도가 실험으로 관찰되었다. 첫째로, 바이오차 로부터 독성물질이 유출되더라도 계면활성제가 미생물의 접근성을 낮추 는 역할을 하는 것이라고 유추할 수 있다. 계면활성제는 토양 및 퇴적토 에 흡착되어 있는 중금속의 유출을 증대시킨다고 알려져 있다(Dean et al., 2001; Mulligan et al., 2001). 하지만, 이렇게 증대된 중금속 탈착은 대체로 친수성을 띄는데 계면활성제와 결합한 미생물은 표면이 소수성이 된다고 알려져 있다(Brown and Jaffé, 2006). 때문에 미생물과 유출된 중금속은 서로 잘 붙지 않아 중금속에 의한 미생물 독성영향이 감소할 것이라고 추측된다.

다방향족탄화수소의 생분해를 증대시키는 영향이 있다고 알려졌다. 또한 Biosurfactant는 이와 결합한 다방향탄화수소의 직접 이동을 용이하게 하여 탈착과 생분해 모두 효과적으로 증대시킨다고 알려져 있다(Makkar and Rockne, 2003).

미생물이 관여하지 않은 탈착(Abiotic desorption)보다 미생물에 의해 탈착이 증대(Biotic desorption)되어 생분해 또한 자연적으로 증대될 수 있다. Adrion et al., (2016)에 따르면, 미생물이 흡착제에 붙어있음으로써 흡착 다방향족탄화수소의 탈착을 증대시킬 수 있다. 다방향족탄화수소에 서 미생물 세포나 biofilm으로의 물질 이동 속도가 bulk 수중으로 이동 하는 속도가 더 빠르기 때문이다.

이처럼, 계면활성제를 적용했을 때, 바이오차로부터 생기는 미생물 독

성영향을 감소시킬 수 있을뿐더러 미생물 활동을 도와 흡착

Phenanthrene의 탈착 및 생분해를 증대시킨다는 것을 알 수 있다.

Feedstock Rice husk Sewage sludge Cu 10.65 (±7.5) 676.90 (±26.62)

Ni 7.13 (±1.02) 57.59 (±3.20) Zn 77.38 (±4.91) 2616.58 (±135.90) As 3.72 (±0.43) 5.97 (±0.53) Cd 0.30 (±0.07) 3.14 (±0.36) Pb 33.89 (±1.88) 69.78 (±1.11) Cr 14.94 (±0.70) 108.95 (±5.40) 표 4-5. Rice husk, Sewage sludge 바이오차의 중금속 함량(mg kg^{ })

제 5 장 결론

본 연구에서는 다방향족탄화수소로 오염된 퇴적토를 정화시키기 위한 방법으로 바이오차라는 흡착제를 적용했을 때에, 이의 생물학적 정화를 위한 흡착 다방향족탄화수소의 탈착 및 생분해를 확인하고 이를 개선시 킬 방법을 찾고자 하였다. 본 연구에 쓰인 다른 전구물질의 두 바이오차 에 대표 다방향족탄화수소 Phenanthrene을 흡착 시켰을 때에 상당수의 흡착 Phenanthrene이 탈착 및 생분해가 되지 않은 것을 관찰 할 수 있 었다. 이를 증대시키기 위해, 바이오차의 입자크기를 작게 하거나 계면활 성제를 투입시켜 주어 변화를 관찰하였다. 입자크기가 작아지면 바이오 차의 Intra-particle diffusion 길이가 짧아져 탈착이 증대될 것으로 기대 를 하였고, 계면활성제를 투입시켜주면 흡착 Phenanthrene의 탈착과 생 분해가 증대될 것이라 기대하였다.

탈착의 경우, 입자크기의 영향은 바이오차와 Phenanthrene간의 강한 탈착 Activation energy가 존재할 때 미미한 것을 알 수 있었다. 바이오 차의 Aromaticity와 무극성이 강하면 강할수록 비슷한 성질을 가진 물질 인 Phenanthrene과의 화학적 흡착이 강하게 될 것이라고 추측할 수 있 는데, 이러한 바이오차에서는 탈착 Activation energy가 크게 형성되어 입자크기가 작아져도 탈착의 변화가 크게 관찰 되지 않았다. 반면, 계면 활성제를 투입시켰을 때 유의미하게 탈착이 증대된 것을 관찰 하였는데 이는 탈착 Activation energy가 계면활성제에 의해 감소했을 것이라 판 단된다. 계면활성제를 통한 증대 효과는 투입 농도에 따라 많이 달라지

는 바이오차로부터 유출되는 중금속과 같은 독성물질 때문인데 바이오차 의 전구물질이 이에 결정적인 원인이라 판단된다. 하지만, 계면활성제를 투입시켰을 때 이러한 바이오차의 독성영향은 크게 감소한 것을 관찰 할 수 있었고, 미생물 활동에 의한 추가적 탈착과 생분해가 일어남을 확인 하였다.

요약컨대, 제한된 바이오차 흡착 Phenanthrene 탈착과 생분해를 증대 시키기 위한 방법으로 작은 입자크기와 계면활성제 투입을 평가하였다.

탈착은 바이오차와 Phenanthrene간의 강력한 탈착 Activation energy가 중요한 인자임을 확인하였다. 입자크기를 작게 하는 것보단 Monomer 형태의 계면활성제를 투입할 때 이러한 탈착이 크게 증대됨을 알 수 있 었다. 생분해는 탈착과 마찬가지로 제한적인데, 이는 바이오차의 미생물 독성영향인 것으로 확인되었다. 이러한 독성영향은 계면활성제를 투입함 으로써 유의미하게 감소될 뿐 아니라 미생물의 분해활동에도 도움이 되 었다.